第十章 分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué)

1、第十章第十章 分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué)分子進(jìn)化和分子系統(tǒng)學(xué) 生物進(jìn)化是以生物大分子為基礎(chǔ)的，只有從分子水平上研究生物的進(jìn)化才能觸及生物進(jìn)化的本質(zhì)，同時也使我們采用更加直接的手段研究生物進(jìn)化成為可能。 究竟什么是分子進(jìn)化，什么是分子系統(tǒng)學(xué)、分子進(jìn)化的特點又是什么，如何建立分子系統(tǒng)樹等，諸如此類的問題是本章要討論的重點。 一、什么叫分子進(jìn)化一、什么叫分子進(jìn)化 廣義的分子進(jìn)化有兩層含義，一是一是指原始生命出現(xiàn)之前的進(jìn)化，即生命起指原始生命出現(xiàn)之前的進(jìn)化，即生命起源的化學(xué)演化源的化學(xué)演化；二是原始生命產(chǎn)生之后生物在進(jìn)化發(fā)展的過程中，生物大分子結(jié)構(gòu)變化以及這些變化和生物進(jìn)化的關(guān)系等。我們通常所說的分子進(jìn)化指

2、的是后者。 二、分子進(jìn)化的特點二、分子進(jìn)化的特點 (一)分子進(jìn)化速率的恒定性 分子進(jìn)化速率是指核酸或蛋白質(zhì)等生物大分子在進(jìn)化的過程中堿基或氨基酸發(fā)生替換的頻度，它是測定生物大分子進(jìn)化快慢的尺度，時間以年為單位。 研究方法主要是通過比較不同種生研究方法主要是通過比較不同種生物同源蛋白質(zhì)氨基酸序列的變化，來推物同源蛋白質(zhì)氨基酸序列的變化，來推斷該蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率斷該蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率，為生物進(jìn)化提供一個時間表。 MODayhof對蛋白質(zhì)的氨基酸變化進(jìn)行了廣泛的研究，收集了大量的數(shù)據(jù)，其中研究最詳細(xì)最深入的蛋白質(zhì)是脊椎動物的血紅蛋白(珠蛋白)和肌紅蛋白。血紅蛋白在血液中運輸氧和二氧化碳；肌紅蛋白具有在

3、組織中貯存氧的功能。 1 氨基酸差異比例的計算 2氨基酸差異比例的校正 3分子進(jìn)化速率的計算及其恒定性 分子進(jìn)化速率通常用每年、每個氨基酸座位的替換率來表示，公式為Kaa = Kaa/2T,T為比較的兩個蛋白質(zhì)之間從共同的祖先分歧開始的年數(shù)，2T為進(jìn)化間，Kaa是比較的兩個蛋白質(zhì)之間每個氨基酸座位替換的平均數(shù)。如果知道了用來比較的兩個物種的分歧年數(shù)和蛋白質(zhì)氨基酸的差異，就可以計算出該蛋白質(zhì)的進(jìn)化速率。如人和鯊魚的分歧年數(shù)為42X108年，血紅蛋白鏈差異Kaa為076，Kaa=0762 X 42X10-8 = 09X10-9。用同樣的方法對人和鯉魚的血紅蛋白鏈進(jìn)行比較計算，進(jìn)化速率為06X10-

4、9。 通過以上分析結(jié)果，不難看出，蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是以相對恒定的速率進(jìn)化的，即在分子水平上是以相對恒定的速率進(jìn)化的，即在分子水平上的進(jìn)化速率是相對恒定的，并且進(jìn)化的速率與的進(jìn)化速率是相對恒定的，并且進(jìn)化的速率與世代的長短，生存的環(huán)境條件以及群體的大小世代的長短，生存的環(huán)境條件以及群體的大小等無關(guān)等無關(guān)。但這種恒定性并不是說所有的蛋白質(zhì)(生物大分子)以及某一蛋白質(zhì)中的所有氨基酸的進(jìn)化速率都完全相同，實際上不同的蛋白質(zhì)在進(jìn)化速率上是有差異的，甚至有的差異還很大，如組蛋白的進(jìn)化速率為001x109，而血纖蛋白肽為84X109，二者相差840倍。但這并不否定分子進(jìn)化速率的恒定性，只能說明分子進(jìn)化速率是相對

5、恒定的。 (二二)分子進(jìn)化的保守性分子進(jìn)化的保守性 分子進(jìn)化的保守性是指生物大分子在進(jìn)化的過程中，從功能上講進(jìn)化的速度比較慢。其保守性主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1、生物大分子在進(jìn)化過程中結(jié)構(gòu)上的變化速度較慢，氨基酸的平均變化速度為10-9數(shù)量級； 2、是生物大分子內(nèi)部功能區(qū)結(jié)構(gòu)變化較慢，而且功能越重要的區(qū)域變化速度越慢，如胰島素比胰島素原中的C肽慢6倍； 3、蛋白質(zhì)中某些氨基酸或核苷酸的變化速度較慢，越重要的氨基酸變化越慢； 4、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的氨基酸之間的替換，比結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)不同的氨基酸之間的替換更容易發(fā)生。 為了說明以上的結(jié)論，下面舉幾個典型的例子：一個是血纖蛋白肽，它的進(jìn)化速度較快

6、(83 x 10-9)，因為它從血纖蛋白原凝固時分離出來后沒有其他任何的生理機能。 Mross GA(1967)通過對偶蹄類的血纖蛋白肽A和B的氨基酸序列、氨基酸替換的頻度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氨基酸的替換在分子內(nèi)部的分布是不均衡的，變化較快的氨基酸的分布比較集中，變化較慢的氨基酸的分布比較分散。其中變化最快的是血纖蛋白肽A的第12到19位，肽B的第18到21位的氨基酸，這些部位和偶蹄類的適應(yīng)進(jìn)化有著密切的關(guān)系。血凝酶是由血凝蛋白原切除血纖蛋白肽后形成的，A鏈的切點在N端第一個Arg處。第4位和第5位的Gly非常保守，不發(fā)生變化或幾乎不發(fā)生變化，第2位的Pro也非常保守，而第12、13和14位變化就

7、非常大。 第二個是組蛋白H4，它在核內(nèi)和DNA結(jié)合，對遺傳信息的貯存具有十分重要的作用，是一種特殊化的蛋白質(zhì)，在漫長的進(jìn)化過程中幾乎不允許它發(fā)生變化，所以它是一個非常保守的蛋白質(zhì)。 第三個是血紅蛋白，它的分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常清楚，它有幾個螺旋狀的區(qū)域和非螺旋狀的區(qū)域，分子的內(nèi)部是疏水氨基酸，這些氨基酸非常保守，特別是和血紅素結(jié)合的氨基酸，它們對血紅蛋白的功能具有重要的作用，它的變化將使其功能發(fā)生變化甚至喪失，所以它們保守。而血紅蛋白表面的氨基酸對血紅蛋白機能的影響相對較小，所以容易發(fā)生變化。 1973年木村資生討論了這一情況，如下表。 表表:血紅蛋白不同部位氨基酸的替換率血紅蛋白不同部位氨基酸的替

8、換率 區(qū)域區(qū)域 血紅蛋白鏈 血紅蛋白鏈 表面表面 135 273 血紅素結(jié)合部血紅素結(jié)合部 0.65 0236 由以上的例子可以看出，不同的蛋白質(zhì)分子其進(jìn)化速度不同，即使是同一種蛋白質(zhì)分子，其不同的區(qū)域或不同的氨基酸進(jìn)化的速度也不同。進(jìn)化特點是越重要的分子、分子中越重要的部位或氨基酸，其進(jìn)化速度越慢，相反越快。 三、分子進(jìn)化的中性理論三、分子進(jìn)化的中性理論 分子進(jìn)化的中性理論首先由日本的木村資生提出，后來又有很多的證據(jù)支持了這一理論，目前普遍被人們所接受。木村資生對蛋白質(zhì)的氨基酸序列以及木村資生對蛋白質(zhì)的氨基酸序列以及DNA的堿基順序進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并的堿基順序進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并在他人研究

9、的基礎(chǔ)上提出了該理論在他人研究的基礎(chǔ)上提出了該理論。其其主要觀點是分子水平上的進(jìn)化大都不是主要觀點是分子水平上的進(jìn)化大都不是通過達(dá)爾文的自然選擇，而是由選擇中通過達(dá)爾文的自然選擇，而是由選擇中性或近中性突變性或近中性突變(選擇中性或近中性突變選擇中性或近中性突變是指在選擇上或?qū)x擇是中性或近中性是指在選擇上或?qū)x擇是中性或近中性的突變的突變)基因的隨機固定實現(xiàn)的基因的隨機固定實現(xiàn)的。 中性突變理論的本質(zhì)是分子突變中性突變理論的本質(zhì)是分子突變從嚴(yán)格的意義上講是選擇中性的，即對從嚴(yán)格的意義上講是選擇中性的，即對生物本身來講既無利也無害，它的命運生物本身來講既無利也無害，它的命運幾乎取決于遺傳上的隨

10、機固定，所以在幾乎取決于遺傳上的隨機固定，所以在分子進(jìn)化的過程中，突變壓和隨機固定分子進(jìn)化的過程中，突變壓和隨機固定起著重要作用起著重要作用。只有進(jìn)一步導(dǎo)致形態(tài)和生理上的差異后自然選擇才能發(fā)揮作用。關(guān)于中性理論內(nèi)容和傳統(tǒng)的進(jìn)化論之間的區(qū)別以及中性理論的證據(jù)，木村資生進(jìn)行了詳細(xì)論述。 (一一)隨機漂變對等位基因的作用隨機漂變對等位基因的作用 在相當(dāng)大的群體里，每個世代雖然會產(chǎn)生大量突變，但是其中大部分變異在以后很少的世大部分變異在以后很少的世代中由于隨機的作用而丟失，這種丟失不僅限于代中由于隨機的作用而丟失，這種丟失不僅限于有害突變和中性突變，也包括有利突變有害突變和中性突變，也包括有利突變。比

11、如突比如突變基因在選擇上變基因在選擇上1有利，那么在群體中被保存有利，那么在群體中被保存擴散的可能性也僅有擴散的可能性也僅有2，有，有98的可能在進(jìn)化的可能在進(jìn)化的過程中不被保留而隨機消失的過程中不被保留而隨機消失。因此，在進(jìn)化的過程中，種內(nèi)發(fā)生的有利變異數(shù)和實際被保留下來的變異數(shù)之間有相當(dāng)大的差異，通過增加基因頻率而在種內(nèi)被保留固定的突變是極其幸運的少數(shù)者。 傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，突變基因在種內(nèi)擴散必須傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，突變基因在種內(nèi)擴散必須是在選擇上有利的突變，但實際上，中性突變基是在選擇上有利的突變，但實際上，中性突變基因由于和有利基因連鎖而使它以較高的頻率在種因由于和有利基因連鎖而使它以較高的

12、頻率在種內(nèi)保留內(nèi)保留。中性理論強調(diào)的是即使是在自然選擇上無利的突變也能被保留下來。例如，突變基因如果和原來的等位基因在自然選擇上是相同的(即有利程度)，因隨機作用，其頻率隨著時間的推移有可能增加，也有可能減少，產(chǎn)生這種差距.一方面與原初產(chǎn)生的突變數(shù)少有關(guān)，另一方面也與群體的大小有關(guān)，群體越小越容易發(fā)生，即每世代僅有極少數(shù)的配子能傳給后代，而這種能傳給后代的配子是從眾多的雌雄配子中隨機抽出的，這樣中性突變基因中絕大部分由于隨機的作用而消失，只有極少數(shù)的突變被固定。 如果中性突變在分子水平上經(jīng)常如果中性突變在分子水平上經(jīng)常發(fā)生，而且隨機過程比較長，假如持發(fā)生，而且隨機過程比較長，假如持續(xù)經(jīng)過數(shù)千萬

13、世代，就會使群體內(nèi)遺續(xù)經(jīng)過數(shù)千萬世代，就會使群體內(nèi)遺傳構(gòu)成發(fā)生巨大的變化傳構(gòu)成發(fā)生巨大的變化，例如1個突變基因在群體中被保留發(fā)生的可能性是100萬分之一，每年一個基因座位產(chǎn)生10個突變基因的話，這個基因座位在群體中每100萬年就會發(fā)生10個突變基因被保留。 (二二)小群體引起的遺傳漂變小群體引起的遺傳漂變 遺傳漂變可以說是中性突變理論的基礎(chǔ)，遺傳漂變可以說是中性突變理論的基礎(chǔ)，所謂遺傳漂變是指群體中的基因頻率由于在繁所謂遺傳漂變是指群體中的基因頻率由于在繁殖時雌雄配子的隨機結(jié)合而發(fā)生變化的現(xiàn)象殖時雌雄配子的隨機結(jié)合而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 不管是哪個有性生殖的物種，群體的大小是有限的，但產(chǎn)生的雌雄配

14、子數(shù)相當(dāng)多，而傳給后代的又是其中的極少數(shù)配子，哪個配子能傳給后代是隨機的，這就會造成基因頻率的變化，而且群體越小，這種變化就越大而且群體越小，這種變化就越大。由于這種作用而使某些基因被保留，某些基因被丟失，而這種保留、丟失與有利和有害無關(guān)，幾乎完全取決于隨機作用隨機作用。 (三三)群體的有效大小群體的有效大小 (四四)有關(guān)中性突變進(jìn)化學(xué)說的討論有關(guān)中性突變進(jìn)化學(xué)說的討論 1關(guān)于有利、有害及中性突變關(guān)于有利、有害及中性突變 木村資生本人認(rèn)為這些質(zhì)疑中有很多是誤解。如中性突變學(xué)說提出時，并不是說所有的突變都是中性的，而有一定比例的有害突變，同時也承認(rèn)在進(jìn)化的過程中會產(chǎn)生有利突變，但非常稀少。有害有

15、害突變所占的比例大小，取決于突變分子的重要性，突變所占的比例大小，取決于突變分子的重要性，隨著突變分子功能重要性的增強，其有害突變的可隨著突變分子功能重要性的增強，其有害突變的可能性越大，中性突變的可能性越少，相反，中性突能性越大，中性突變的可能性越少，相反，中性突變的可能性就大變的可能性就大。如內(nèi)含子的進(jìn)化速率 非?？?，因為內(nèi)含子本身并不編碼mRNA，與蛋白質(zhì)的氨基酸序列無關(guān)。所以 它的進(jìn)化速率非?？?。 2分子進(jìn)化的恒定性分子進(jìn)化的恒定性 中性突變理論認(rèn)為，每個氨基酸座中性突變理論認(rèn)為，每個氨基酸座位位(或核苷酸或核苷酸)每年的替換率是一定的每年的替換率是一定的，而有人提出不應(yīng)該是每年，應(yīng)該

16、是每個世代，原因是不同的生物世代長短差異很大。 關(guān)于這一問題，木村資生做了詳細(xì)的分析。他認(rèn)為體型越大，世代越長同他認(rèn)為體型越大，世代越長同時群體也就越小，每個世代的進(jìn)化速率時群體也就越小，每個世代的進(jìn)化速率與群體有效大小的平方根成反比與群體有效大小的平方根成反比. 3中性突變理論的貢獻(xiàn)中性突變理論的貢獻(xiàn) 達(dá)爾文進(jìn)化論揭示了表型、種群進(jìn)化的規(guī)律，通過自然選擇淘汰不利變異，保留有利變異，即適者生存，使生物發(fā)展進(jìn)化。限于當(dāng)時的水平，對分子水平的進(jìn)化規(guī)律所知甚少。 木村資生的中性突變理論揭示了分子木村資生的中性突變理論揭示了分子水平的進(jìn)化規(guī)律。水平的進(jìn)化規(guī)律。 中性突變理論通過隨機固定決定保留中性突變

17、理論通過隨機固定決定保留和淘汰。和淘汰。 這和達(dá)爾文進(jìn)化論并不矛盾，更不對立，只是各自的側(cè)重點不同。 一個側(cè)重于個體、群體即宏觀水一個側(cè)重于個體、群體即宏觀水平平; 另一個側(cè)重于分子即微觀水平，另一個側(cè)重于分子即微觀水平，誰都不能替代對方，誰都不能否定對誰都不能替代對方，誰都不能否定對方，二者相互補充，更好地解釋了生方，二者相互補充，更好地解釋了生物進(jìn)化的現(xiàn)象及本質(zhì)。物進(jìn)化的現(xiàn)象及本質(zhì)。 四、分子系統(tǒng)學(xué)和分子系統(tǒng)樹四、分子系統(tǒng)學(xué)和分子系統(tǒng)樹 分子系統(tǒng)學(xué)分子系統(tǒng)學(xué)是研究生物大分子進(jìn)化歷史的科學(xué)，它主要研究某一生物大分它主要研究某一生物大分子在生物進(jìn)化的過程中突變的產(chǎn)生、固子在生物進(jìn)化的過程中突變

18、的產(chǎn)生、固定以及積累的過程定以及積累的過程。分子系統(tǒng)學(xué)以生物分子系統(tǒng)學(xué)以生物大分子進(jìn)化速率的恒定性為前提，通過大分子進(jìn)化速率的恒定性為前提，通過比較現(xiàn)在同一同源分子在不同生物間的比較現(xiàn)在同一同源分子在不同生物間的差異以及其他信息來推斷生物大分子的差異以及其他信息來推斷生物大分子的進(jìn)化史，以此建立生物大分子進(jìn)化系統(tǒng)進(jìn)化史，以此建立生物大分子進(jìn)化系統(tǒng)樹樹。 生物大分子的進(jìn)化速率是相當(dāng)恒定的，生物大分子的進(jìn)化速率是相當(dāng)恒定的，它的變化量應(yīng)該和該分子所經(jīng)歷的時間呈它的變化量應(yīng)該和該分子所經(jīng)歷的時間呈正相關(guān)正相關(guān)，即生物大分子的改變是進(jìn)化時間的函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Kaa=Kaa2T。由此式可以看出，不同

19、生物的某一同源大分子之間的差異與所比較的生物從共同祖先分歧后的時間呈正比。由此可以確定不同生物在進(jìn)化過程中的地位、分歧時間以及親緣關(guān)系，建立該分子的系統(tǒng)樹。 (一一)分子系統(tǒng)樹的構(gòu)建方法分子系統(tǒng)樹的構(gòu)建方法 建立分子系統(tǒng)樹，首先要得到所涉及的生物中同源大分子之間的差異，對這些差異數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)的處理，根據(jù)分歧時間的先后繪出系統(tǒng)樹。具體方法如下。 1獲得生物大分子的差異數(shù)據(jù)獲得生物大分子的差異數(shù)據(jù) 首先確定所要構(gòu)建分子系統(tǒng)樹的生物種類和要分析的生物大分子。確定生物種類的原則是所有生物中均要存在該種同源生物大分子。對生物大分子的選擇也有一定的要求，不是任意的大分子都可以用來構(gòu)建分子系統(tǒng)樹。 一般來

20、講，建立親緣關(guān)系比較遠(yuǎn)，分歧時間比較長的生物之間的分子系統(tǒng)樹時，要選擇進(jìn)化速率相對較慢的生物大分子，相反要選擇進(jìn)化較快的大分子。如線粒體DNA的進(jìn)化速率較快，適于在親緣關(guān)系較近的物種之間建立分子系統(tǒng)樹，像細(xì)胞色素c、16SRNA以及丙糖磷酸異構(gòu)酶等進(jìn)化速率較慢，適合親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的；物種之間建立分子系統(tǒng)樹。生物大分子確定之后，對該種生物大分子進(jìn)行一級，結(jié)構(gòu)的測定，就可以得到用于建立分子系統(tǒng)樹的最基本的數(shù)據(jù)。 2比較各物種之間同源大分子的差異比較各物種之間同源大分子的差異 人工比較生物大分子之間的差異不是非常容易的事，現(xiàn)在一般用計算機進(jìn)行比較。比較時可有三種情況: 一是同源位置相同(如DNA的某一

21、同源位置都是某種堿基，蛋白質(zhì)都是某種氨基酸)； 二是同源位置不同； 三是同源位置上有一方是空缺或插入，把后二者都統(tǒng)計為差異。 ( (二二) )分子系統(tǒng)學(xué)的研究進(jìn)展分子系統(tǒng)學(xué)的研究進(jìn)展 分子系統(tǒng)學(xué)研究的初期，研究的重點為蛋白質(zhì)，人們研究比較了多種蛋白 質(zhì)分子，得到各種蛋白質(zhì)分子中氨基酸的差異，然后推測DNA的變化，最后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建分子系統(tǒng)樹。 由于蛋白質(zhì)的分析比較復(fù)雜，所以近年來研究的重點轉(zhuǎn)移到了RNA，如5 S rRNA、16SrRNAP)及18S rRNA等，對它們進(jìn)行了序列比較，所得數(shù)據(jù)通過計算機分析建立分子系統(tǒng)樹。近年來通過這種方法研究了多種生物的進(jìn)化關(guān)系，取得了許多成果。 1已構(gòu)建的

22、分子系統(tǒng)樹簡介已構(gòu)建的分子系統(tǒng)樹簡介 (1)丙糖磷酸異構(gòu)酶系統(tǒng)樹丙糖磷酸異構(gòu)酶系統(tǒng)樹.WGilbert等研究了包括人在內(nèi)的9種生物的丙糖磷酸異構(gòu)酶，比較了它們的差異，尤其是內(nèi)含子的差異，構(gòu)建了系統(tǒng)樹。 (2)線粒體線粒體DNA系統(tǒng)樹系統(tǒng)樹RLCann，等人對人的線粒體DNA進(jìn)行了比較研究，由此建立了人類的分子系統(tǒng)樹，提出人類有共同的祖先，他誕生于非洲，然后擴散到其他大陸。 2PCR技術(shù)在生物進(jìn)化中的應(yīng)用技術(shù)在生物進(jìn)化中的應(yīng)用 (一一)古蛋白質(zhì)分子的研究古蛋白質(zhì)分子的研究 最初人們只是研究化石中的氨基酸，后來開始研究多肽，一直發(fā)展到研究蛋白質(zhì)。有的多肽或蛋白質(zhì)分子比較穩(wěn)定，如骨中的膠原蛋白及貝殼中的殼蛋白都能穩(wěn)定貯存幾千萬年甚至若干億年。 當(dāng)然不是所有的蛋白都這樣穩(wěn)定，但只要我們獲得了某種蛋白質(zhì)分子的進(jìn)化數(shù)據(jù)，就可以和古蛋白質(zhì)分子進(jìn)行比較、和現(xiàn)在的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行比較，加上其他的信息，就可以推斷該分子的進(jìn)化歷程、該生物在進(jìn)化中的位置以及和其他生物的親緣關(guān)系。 (二二)古古DNA的研究的研究 相對于蛋白質(zhì)來講，DNA更加穩(wěn)定更加穩(wěn)定，保